热防护结构设计是飞行器热管理的关键,是研制高超声速飞行器过程中的主要瓶颈。当飞机器高速飞行时,飞行器表面的温度会大幅度升高。同时机体内部的电子和电气设备要求工作温度不超过85℃,以保障飞机内部设备的正常工作。如此高的温差将给飞机热防护带来严峻挑战,现有的热防护结构设计准则与隔热材料已不能满足可重复使用设计要求,因此研制高性能热防护结构变得极为迫切。针对热防护结构的需求,对轻质防隔热一体化结构的强度和刚度进行了有限元模拟,确定了防隔热结构的形式及材料种类。在此基础上,设计了轻质高效热防护结构的构型,采用ABAQUS软件对热防护结构构型进行热力耦合计算,分析了其连接形式,设计了高效被动热防护结构的构型。根据有限元模拟的结果,确定了轻质硅基隔热材料体系。采用火焰喷吹法制备了高硅氧微纤维棉,获得了直径更细、导热系数更低的纤维单丝。通过控制酸处理工艺过程中的盐酸质量浓度、酸沥滤时间和温度等工艺参数,获得了最优的工艺参数,确保此工艺条件下高硅氧微纤维棉中氧化硅的含量最佳。通过调节打浆时间,并在浆料中添加一些性能更好的纤维棉A,降低了毡的密度,获得了轻质纤维棉。研究了气凝胶/硅基纤维复合材料的合成工艺,探讨了前驱体对气凝胶复合材料理化性能的影响。研究发现,采用正硅酸乙酯（TEOS）可以实现对气凝胶制备工艺的调控。通过二次凝胶老化处理工艺可以改善凝胶网络结构的交联程度,进而提高隔热性能。为了获得整体性能优异的大尺寸气凝胶复合材料,对超临界干燥工艺进行了优化。提出了轻质硅基隔热材料的评价方法,利用该方法评价了高硅氧微纤维毡和二氧化硅气凝胶的隔热材料性能,给出了高硅氧微纤维毡和二氧化硅气凝胶/硅基纤维复合材料的中温长时和高温短时的使用工况条件下的隔热性能。合成了低密度高硅氧微纤维棉毡和二氧化硅气凝胶/硅基纤维复合材料,提出了隔热材料隔热性能的测试方法,系统测试了硅基隔热材料的隔热性能。对轻质高效被动热防护结构的效能进行了评价。基于热防护结构构型的热力耦合计算结果,研究了胶接和机械连接方式的可靠性和隔热效能,并对外部放整块气凝胶/硅基纤维复合材料构型的蒙皮材料、连接件材料、隔热效能及连接形式等进行了验证。基于等效密度原则,对轻质硅基热防护结构的隔热性能进行了分析,给出了满足使用要求的板厚、质量、温度和时间等技术指标,确定了增重最小的构型方案。构建了人机界面友好的热防护材料体系数据库,该数据库方便科研人员查询各种隔热材料的隔热性能,提高科研工作的效率。建立了轻质高效热防护构型数据库,该数据库可实现材料筛选、温度-时间曲线、构型信息查询等功能,指导热防护结构设计,并为后续相关研究提供技术支撑与指导。